目前设计兼具生物柔软性和强度这一独特组合的合成材料的方法,主要基于对各种聚合物、交联剂和溶剂的直觉混合(试错法)。这种方法效率低下,应用缺乏灵活性,且在性能控制方面不够精确。
实验室正在开发一种基于物理性能架构编程的新型材料设计平台。该方法利用精确定义的独立受控架构参数多重态来编码不同的机械表型,而无需改变化学成分或添加溶剂。
最终,这一“代码”设计平台将为材料搜索系统奠定基础,该系统将为创建具有与活体组织相似机械性能的生物相容性材料提供精确建议(配方、方法)。通过复制生物力学特性并确保在极端条件下的可靠运行,这些材料将彻底改变包括机器人技术、便携式电子设备、生物医学植入物和药物递送技术在内的一系列应用领域。
实验室的工作是在理论家、合成化学家和实验物理学家之间的紧密合作与反馈下进行的。
实验室概况:
开发基于分子刷的聚合物网络(弹性体和凝胶),以制造能够精确模拟从软组织(大脑)到坚韧组织(皮肤)等生物组织机械行为的材料。
研究方向:
- 对“刷”型聚合物系统进行理论建模,旨在寻找网络结构与机械性能(如弹性模量和最大延伸率)之间的通用相关性,且这些相关性不依赖于化学成分。
- 合成具有刚性主链(聚酯、聚酰亚胺和聚芴)和柔性侧链(疏水性和亲水性:聚己内酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、聚甲基丙烯酸、聚恶唑啉)的聚合物刷。探索这些聚合物的稀疏规则交联路径,以开发具有独特性能的新型弹性体。
- 合成AB型和ABA型共聚物(B为聚合物刷),其中A嵌段聚合物与聚合物刷侧链的性质显著不同,旨在形成自组装物理网络以获得新型弹性体。开发通过3D打印为这些材料定型的方法。
- 利用凝胶渗透色谱法分析这些聚合物的分子量特性,并利用光散射法研究其在溶液中的行为。
- 从合成聚合物中获取材料,并研究其机械、热物理和光学特性。
- 探索并优化所得材料在生物医学、诊断和制药领域的应用途径。